一文讀懂芯片封裝的可靠性測試

上海卷柔儀器設(shè)備有限公司是一家高科技合資企業(yè),專業(yè)生產(chǎn)銷售鹽霧箱、恒溫恒濕機、冷熱沖擊機、振動試驗機、機械沖擊機、跌落試驗機的環(huán)境試驗儀器的公司，是一家具有研發(fā)生產(chǎn)銷售經(jīng)營各類可靠性環(huán)境試驗設(shè)備的公司。經(jīng)驗豐富，并得到許多國內(nèi)外廠商的信賴與支持。現(xiàn)在我們成為許多品牌的供應(yīng)商。

可靠性通常是指芯片封裝組件在特定使用環(huán)境下以及一定時間內(nèi)的損壞概率，換言之即表明組件的質(zhì)量狀況，也是電子產(chǎn)品未被商業(yè)化量產(chǎn)前與實際上市使用期間，產(chǎn)品性能和價值水平的總認定。所以封裝廠必須對芯片封裝組件的質(zhì)量進行監(jiān)控。如果說功能測試是檢測產(chǎn)品目前的狀況，那么可靠性測試就是預(yù)測產(chǎn)品在出廠后的使用質(zhì)量。

可靠性測試主要是產(chǎn)品在一些特定的狀態(tài)（特定使用環(huán)境與一定時間），對產(chǎn)品壽命影響的評估，確認產(chǎn)品的質(zhì)量是否穩(wěn)定，同時進行最佳的修正。通常客戶為了以最快、的方式評估芯片的狀況，會通過加速測試，即采用比芯片正常工作狀況更嚴苛的條件來進行測試，以此大幅縮短測試時間，快速評估故障發(fā)生率。

加速測試使用的前提是通過加速測試得到的故障機制必須和正常操作狀況得到的故障機制相同，的差別應(yīng)該只有時間的長短差異，如此執(zhí)行加速測試才有意義，否則就失去加速測試的初衷。一般常用的可靠性測試項目所選用的加速測試條件都與電壓、濕度和溫度等環(huán)境參數(shù)有關(guān)。

圖1 可靠性測試示意圖

芯片的可靠性在一定程度上可以說是芯片的壽命體現(xiàn)，作為一個質(zhì)量控制和評估產(chǎn)品風(fēng)險的工具，以及一個生產(chǎn)制造與材料供應(yīng)的穩(wěn)定度指標(biāo)，可靠性成為客戶在芯片上市量產(chǎn)前必須關(guān)注和研發(fā)改進的重要指標(biāo)。在客戶對產(chǎn)品質(zhì)量有要求的前提下，可靠性測試的具體執(zhí)行就有三大方向：驗證什么，如何驗證，到哪里驗證。解決了這三個問題，質(zhì)量和可靠性就有了保證，廠商才可以大量地將產(chǎn)品推向市場，也更容易獲得消費者的青睞。

目前芯片載板封裝的可靠性測試，大部分都是依照各個封裝廠客戶所要求的采購規(guī)范來執(zhí)行，同時也會參照其他廠家或某些的可靠性規(guī)范來進行檢測。以下是進行可靠性測試最常被采用的組織：

（1）國際電工委員會（IEC）

（2）規(guī)（Milstd）

（3）國際電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會（IPC）

（4）半導(dǎo)體工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織（JEDEC）

（5）日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（JIS）

通常芯片封裝組件的可靠性測試都是圍繞著溫度、濕度及電壓的影響因子，針對產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能和機械強度的檢測來展開的。

圖2 芯片載板封裝常用可靠性測試示意圖

各封裝廠判斷可靠性測試項目的標(biāo)準(zhǔn)相同，以下就對目前市場上常用的芯片封裝組件用到的可靠性測試項目作簡單的歸類及闡述。

圖3 芯片封裝的可靠性測試條件及流程示意圖

通常封裝廠對封裝完成品要執(zhí)行的可靠性測試項目會有六項，這六項測試項目有些可以同時進行，有些必須等待前面的項目完成后再執(zhí)行。每個測試項目依采樣方式，隨機抽取一定數(shù)量產(chǎn)品的可靠性測試結(jié)果來判定是否通過測試。由封裝廠確定抽樣的規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)，每一家工廠各不相同，企業(yè)規(guī)模大的工廠的可靠性測試標(biāo)準(zhǔn)通常會較嚴苛。

以下分別對各項測試的內(nèi)容與目的作說明：

（1）溫度循環(huán)測試（Temperature Cycling Test, TCT）：是由熱氣腔和冷氣腔組成，通過將封裝體暴露在高低溫氣體轉(zhuǎn)換的環(huán)境中，測試封裝體抵抗溫度差異化的能力。常見的測試標(biāo)準(zhǔn)為測試條件2，往復(fù)循環(huán)1000次，最終根據(jù)測試電路的通斷情況判斷測試是否通過。（見圖4）

圖4 溫度循環(huán)測試示意圖

測試目的：評估芯片產(chǎn)品中具有不同熱膨脹系數(shù)的金屬間接口的接觸良率。方法是通過相對溫度差異大的氣體環(huán)境，從高溫到低溫往復(fù)變化。

測試條件：條件1: -55℃～125℃；條件2: -65℃～150℃。失效機制：電路的短路和斷路、材料的破壞及結(jié)構(gòu)機械變形。（見圖5）

圖5 TCT后的芯片封裝失效缺陷圖

（2）熱沖擊測試（Thermal Shock Test, TST）：是通過將封裝體暴露于高低溫液體的轉(zhuǎn)換環(huán)境中，測試封裝體抗熱沖擊的能力。常見的測試標(biāo)準(zhǔn)為測試條件2，往復(fù)循環(huán)1000次，最終根據(jù)測試電路的通斷情況判斷測試是否通過。（見圖6）

圖6 熱沖擊測試流程及規(guī)范指標(biāo)示意圖

測試目的：評估芯片產(chǎn)品中具有不同熱膨脹系數(shù)的金屬間接口的接觸良率。方法是通過循環(huán)流動的液體從高溫到低溫往復(fù)變化。測試條件：條件1: -55℃～125℃；條件2: -65℃～150℃。失效機制：電路的短路和斷路、材料的破壞及結(jié)構(gòu)機械變形。（見圖7）

圖7 TST后的導(dǎo)通線路斷裂失效缺陷圖

TCT與TST的區(qū)別在于TCT偏重于芯片封裝的測試，而TST偏重于晶圓的測試。

（3）高溫儲藏試驗（High Temperature Storage Test, HTST）：通過將封裝體長時間暴露于150℃的高溫氮氣爐中，測試電路通斷路情況。（見圖8）

圖8 高溫儲藏試驗規(guī)范指標(biāo)示意圖

測試的目的：主要在于測試長期高溫狀況下，例如150℃加熱1000小時的情況，封裝體中可能因為物質(zhì)活性增強，物質(zhì)遷移擴散而影響電路性能。測試的條件：溫度：150℃；時間：500hrs/1000hrs；電性能測試：開路/短路測試。失效機制：電路的短路和斷路、材料的破壞及結(jié)構(gòu)機械變形。

（4）蒸汽鍋測試（Pressure Cooker Test, PCT）：俗稱高壓鍋測試，主要測試封裝產(chǎn)品抵抗環(huán)境濕度的能力，并通過增加壓強來縮短測試時間。（見圖9）

圖9 蒸汽鍋測試/熱應(yīng)力測試流程示意圖

測試目的：評估芯片產(chǎn)品在高溫、高濕、高壓條件下對濕度的抵抗能力，加速其性能失效的過程。測試條件：130℃, 85%相對濕度，通電加偏壓，鍋內(nèi)壓力2個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。失效機制：化學(xué)金屬腐蝕，封裝塑封異常。（見圖10）

圖10 PCT后的金屬電路失效缺陷圖

（5）加速應(yīng)力測試（High Accelerated Temperature and Humidity Stress Test, HAST）：通過在高溫高濕以及偏壓的環(huán)境下，測試封裝體抗?jié)穸饶芰Α＃ㄒ妶D11）

圖11 加速應(yīng)力測試流程示意圖

測試目的：評估芯片產(chǎn)品在偏壓及高溫、高濕、高氣壓條件下對濕度的抵抗能力，加速其失能過程。

圖12 HAST后的金屬電路失效缺陷圖

測試條件：130℃，85%相對濕度，1.1伏特，通電加偏壓，鍋內(nèi)壓力2.3個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。失效機制：線路腐蝕，封裝塑封異常。

（6）Precon測試（Precondition Test）：是模擬芯片封裝完成后，運輸?shù)较掠谓M裝廠裝配成最終產(chǎn)品的過程中，針對產(chǎn)品會經(jīng)歷的可能環(huán)境變化所作的可靠性測試項目。模擬測試整個過程中有類似TCT和THT的測試。測試前先確認封裝電器成品性能沒有問題，然后開始各項惡劣環(huán)境的考驗，先是TCT，模擬運輸過程中的溫度變化，目的在了解電子元器件的吸濕狀況，再在恒溫環(huán)境放置一段時間后（吸濕測試條件分為6個等級，依客戶要求選用測試），再模擬后段焊錫加工過程，然后檢查元器件的電器特性及內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否失效。（見圖13）

圖13 Precon測試爆米花分層失效圖

在Precon測試中最常見的問題有爆米花效應(yīng)（Popcorn）跟分層（Delamination）失效等問題，這些問題都是因為封裝體在吸濕后遭遇高溫，內(nèi)部水分變?yōu)闅怏w，急速膨脹導(dǎo)致封裝元器件受損造成的。

綜上所述，一個好的電子產(chǎn)品，可以從可靠性的測試數(shù)據(jù)來預(yù)測，芯片封裝體必須要具有較強的耐濕、耐熱的能力，采用上述6個可靠性測試的驗證，有利于反饋并改善封裝設(shè)計管理，從而提高產(chǎn)品的可靠性。

芯片封裝載板生產(chǎn)工藝發(fā)展了幾十年，逐漸遇到生產(chǎn)制造的瓶頸，蘋果公司已開始導(dǎo)入一種稱為類載板制造方法（Substrate Like Process, SLP），給硬質(zhì)載板的生產(chǎn)工藝帶來了升級的機會。類載板生產(chǎn)工藝基本上是PCB硬板的一種方法，只是制程上更接近半導(dǎo)體較細線路的制造工藝，這種制造工藝、原材料和設(shè)計方案還可以發(fā)展出很多變化。類載板制造方法的出現(xiàn)，讓高密度互連PCB廠商及現(xiàn)有的載板廠也可以生產(chǎn)，成為封裝廠新材料供應(yīng)商的新選擇。

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